Geometrien, die im Spritzguss nicht realisierbar sind, beispielsweise aufgrund von Hinterschneidungen, können durch den 2PP 3D-Druck schnell hergestellt werden. Abbildung 2 zeigt als Beispiel 3D gedruckte Prototypen von Mikro-Nadeln mit scharfen Kanten und Mikro-Hohlraumstrukturen.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist zurzeit noch dessen eingeschränkte Kapazität für die Großserienfertigung, die sie für Teile, die größer als einige mm sind, unwirtschaftlich macht.
Angesichts der sowohl beim Mikrospritzguss als auch beim Mikro-3D-Druck vorhandenen Einschränkungen stellt sich die Frage, was man noch verändern kann, um die Durchlaufzeiten ohne Einbußen bei der Präzision zu erhöhen.
Als Lösung kombiniert die NanoVoxel GmbH die Vorteile beider Verfahren miteinander durch Verknüpfung von 2PP-Druck mit Mikrospritzguss als Kerngeschäft des Unternehmens. Durch die schnelle Herstellung hochpräziser Werkzeuge für den Mikro-Spritzguss mittels 2PP-3D-Druck wird die Präzision und hohe Auflösung des 2PP-Verfahrens mit größtmöglicher Effizienz auf Mikro-Spritzgussteile übertragen. Als Beispiel hierfür zeigt die Abbildung 3 ein Mikro-Zahnrad, welches direkt in eine mit dem Drucker erzeugten Kavität gespritzt wurde.
NanoVoxel hat sich zum Ziel gesetzt, eine Dienstleistungsplattform aus einer Hand mit einem flexiblen und vielseitigen Angebot an Fertigungslösungen aufzubauen, um sich so zu einem der fortschrittlichsten Unternehmen im Bereich Mikro-Fertigung zu entwickeln. Das aus Fachleuten verschiedener Disziplinen zusammengesetzte Team von NanoVoxel kombiniert die verschiedenen Technologien miteinander, um als Dienstleister ein breites Angebot vom Prototypen bis hin zur Massenproduktion abdecken zu können. Durch diese Dienstleistung konnte der Zeitplan für die Realisierung von Strukturen auf Lieferzeiten von lediglich zwei Wochen verkürzt werden.
NanoVoxel hat einen bisher nicht für realisierbar gehaltenen Durchbruch im Spritzgießen von Mikroteilen erzielt und das Abformen von winzigen, detaillierten Strukturen mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit ermöglicht. Die Toleranzen liegen im Bereich von nur wenigen Mikrometern. Außerdem können mittels hochpräzisen 2PP-3D-Druck auch Kavitäten für größere Teilen mit Strukturen im einstelligen Mikron-Bereich hergestellt werden, deren Produktion heutzutage extrem zeitaufwendig, teuer oder sogar unmöglich wäre.
Ein Beispiel für die von NanoVoxel gebotenen Dienstleistungen ist die Entwicklung und Herstellung eines Endoskops für das Unternehmen aiEndoscopic. Zu Beginn der Prototypen-Entwicklung wurden die einzelnen Segmente des Endoskops zwecks Durchführung von Geometrie-Tests und Optimierung in verschiedenen Design-Varianten 3D-gedruckt. Nach Validierung des Designs durch den Kunden wurden anschließend Teile im Mikro-Spritzguss mit dem spezifiziertem Original-Material hergestellt. Somit konnten die Bauteile auf die gewünschten mechanischen und funktionellen Spezifikationen mit Original-Material getestet und validiert werden. Der gesamte Herstellungsprozess einschließlich den Nachbesserungen wurde innerhalb von 5 Wochen abgeschlossen.
Die Kompetenz von NanoVoxel, verschiedene Prozesse miteinander zu kombinieren, einschließlich Mastering, Gießen, Sintern und µ-Spritzguss ermöglicht es, Werkzeuge mit einem Höchstmaß an Präzision herzustellen, nicht nur aus Photopolymeren, sondern auch aus robusteren Rohstoffen wie Epoxidharz, Glas, Keramik oder Metall.
Um bei den Werkzeugen die höchstmögliche Präzision zu erreichen, nutzt NanoVoxel die MicroPower 15 t von Wittmann Battenfeld, einem führenden Hersteller von Spritzgießmaschinen und Automatisierungslösungen. Mit 150 kN Schließkraft sind die Maschinen der MicroPower-Serie speziell für wirtschaftliche Herstellung von extrem kleinen Teilen bis hin zum Mikro-Bereich mit höchstmöglicher Präzision und Wiederholgenauigkeit konzipiert. Durch ein zweistufiges Schnecken-Kolben-Spritzaggregat mit einem Schussvolumen von 1,2 bis 6,0 cm3 wird thermisch homogenes Material eingespritzt. Auf diese Weise können Teile von höchster Präzision in einem extrem stabilen Produktionsprozess innerhalb von außergewöhnlich kurzen Zykluszeiten hergestellt werden. Das besondere Design der Maschine ermöglicht es, mit dem Einspritzkolben nahezu bis zur Trennebene des Werkzeugs zu gelangen. So wird das Massepolster auf ein Minimum reduziert. Außerdem ist die Maschine schon im Standard optimal für die Produktion unter Reinraum-Bedingungen ausgelegt, da sie als allseitig geschlossene Gehäusezelle konzipiert ist. Die Gehäusezelle bietet ausreichend Platz für die Integration von Ausrüstungsoptionen wie Drehtisch, Roboter, Materialtrockner oder Temperiergeräte. Roboter und Peripheriegeräte von Wittmann wurden speziell für diese Maschine konzipiert. Alle Antriebsmodule des vollelektrischen Antriebssystems inklusive aller mechanischen Komponenten sind mit reinigungsfreundlichen Gehäusen gekapselt. Die präzis kontrollierte Einspritzung von thermisch homogenen Thermoplasten in außergewöhnlich kleinen Mengen ist eine zwingende Voraussetzung für erfolgreiches Spritzgießen von Präzisionsteilen in gleichbleibend hoher Qualität bei der Massenproduktion im Mikro-Bereich.
Die Kombination von 2PP-Druck mit Spritzgießen im µ-Bereich beschränkt sich keineswegs nur auf schnelle Entwicklung von Präzisionswerkzeugen. Die NanoVoxel GmbH kann auch direkt auf verschiedenste Materialien drucken, die mit anderen Verfahren hergestellt wurden, und somit verschiedene Materialeigenschaften kombinieren, wie zum Beispiel Glas, Keramik, Kohlenstoffsubstrate, Metalle oder auch Kunststoffe. Die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien für verschiedene Funktionen miteinander zu kombinieren ermöglicht maßgeschneiderte und schnelle Lösungen bei der Produktentwicklung und Fertigung von Prototypen bis zu der Serienproduktion.
Die Kunden bekommen so die Möglichkeit, kleinste Details direkt auf sperrige oder größere Teile zu drucken. Erste Anwendungen dieser Art wurden bereits in der Produktion von Mikrofluidik-Chips erfolgreich realisiert. NanoVoxel hat punktuell auf handelsübliche Mikrofluidik-Chips funktionale Strukturen aufgedruckt, welche mit dem Spritzguss nicht realisierbar waren.
NanoVoxels Leistungsspektrum in der Mikrofertigung eröffnet dadurch neue Gestaltungsmöglichkeiten für Designer und Ingenieure aus verschiedenen Industriezweigen und revolutioniert die Entwicklungs- und Herstellungsprozesse für komplexe, kundenspezifische und funktionelle Bauteile im Mikro-Bereich.
Durch das Engagement für die Weiterentwicklung von Mikrofertigungs-Technologien und die Neukonzeption von Lösungen ist NanoVoxel bestrebt, auch für unkonventionelle Bauteilgeometrien einen kreativen, effizienten und dennoch einfachen Ansatz für die Fertigung zu bieten.
Verfasser: Martin Ganz
